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半導(dǎo)體工藝（四）光刻機(jī)（Mask Aligner）

上兩篇對(duì)于光刻工藝中所用到的掩膜版和光刻膠進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。其實(shí)在光刻工藝的整個(gè)流程中有幾樣設(shè)備也是不能缺少的。例如：光刻機(jī)、勻膠機(jī)、烘膠機(jī)（烤膠機(jī)）以及顯影設(shè)備等等。這次主要來介紹光刻機(jī)以及其中相對(duì)應(yīng)的曝光源。

隨著光刻技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了接觸/接近式光刻、光學(xué)投影光刻、步進(jìn)重復(fù)光刻、步進(jìn)掃描光刻、浸沒式光刻、EUV光刻以及電子束光刻。主流的曝光源的曝光波長(zhǎng)由g線（436nm）、i線（365nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm），一直縮減到極紫外線（EUV）（13.5nm）。

一、接觸/接近式光刻機(jī)

接觸式光刻技術(shù)是小規(guī)模集成電路時(shí)代的主要光刻手段，主要用于生產(chǎn)特征尺寸大于5μm的集成電路。在接觸/接近式光刻機(jī)中，通常晶圓片放置于手動(dòng)控制水平位置和旋轉(zhuǎn)的工件臺(tái)上。利用分立視場(chǎng)顯微鏡同時(shí)觀察掩模和晶圓片的位置，并通過手動(dòng)控制工件臺(tái)的位置來實(shí)現(xiàn)掩模版與晶圓片的對(duì)準(zhǔn)。晶圓片與掩模版對(duì)準(zhǔn)后，二者將被壓緊，使得掩模版與晶圓片表面的光刻膠直接接觸。移開顯微鏡物鏡后，將壓緊的晶圓片與掩模版移入曝光臺(tái)進(jìn)行曝光。汞燈發(fā)出的光經(jīng)透鏡準(zhǔn)直平行照射掩模版，由于掩模版與晶圓片上的光刻膠層直接接觸，所以曝光后掩模圖形按照1:1的比例移轉(zhuǎn)印至光刻膠層。

接觸光刻技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：因直接接觸，減少光的衍射，能實(shí)現(xiàn)較小特征尺寸的曝光?？傮w簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：也是因掩膜版和涂油光刻膠的晶圓緊密接觸，容易造成劃痕、污染顆粒，同時(shí)造成器件致命的缺陷，縮短掩膜版的壽命，降低成品率等。

在大規(guī)模的集成電路生產(chǎn)中，為避免因掩模版與晶圓片的直接接觸而導(dǎo)致的與接觸式光刻不同，接近式光刻中的掩模版與晶圓片上的光刻膠之間充了氮?dú)?，掩模版浮在氮?dú)庵?，掩模版與晶圓片之間的間隙大小由氮?dú)獾臍鈮簛頉Q定。由于接近式光刻技術(shù)不存在晶圓片與掩模版的直接接觸，減少了光刻過程中引入的缺陷，從而降低了掩模版的損耗，提高了晶圓片成品率。接近式光刻技術(shù)中，晶圓片與掩模版存在的間隙使得晶圓片處于菲涅耳衍射區(qū)域。而衍射的存在限制了接近式光刻設(shè)備分辨率的進(jìn)一步提高，因此該技術(shù)主要適用于特征尺寸在3μm以上的集成電路生產(chǎn)。

接觸式光刻機(jī)

二、步進(jìn)重復(fù)/掃描光刻機(jī)（步進(jìn)式也稱之為投影式）

接觸/接近式光刻機(jī)實(shí)現(xiàn)了亞微米工藝的實(shí)現(xiàn)，那么步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)的出現(xiàn)推動(dòng)亞微米工藝的發(fā)展以及進(jìn)入了量產(chǎn)。步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)利用22mm × 22mm的典型靜態(tài)曝光視場(chǎng)和縮小比為5:1或4:1的光學(xué)投影物鏡，將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)印到晶圓片上。

步進(jìn)重復(fù)光刻的工作原理圖

步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)一般由曝光分系統(tǒng)、工件臺(tái)分系統(tǒng)、掩模臺(tái)分系統(tǒng)、調(diào)焦/調(diào)平分系統(tǒng)、對(duì)準(zhǔn)分系統(tǒng)、主框架分系統(tǒng)、晶圓片傳輸分系統(tǒng)、掩模傳輸分系統(tǒng)、電子分系統(tǒng)和軟件分系統(tǒng)組成。工作流程這里就先不仔細(xì)介紹，總的來說就是對(duì)準(zhǔn)，而后從一點(diǎn)到另一點(diǎn)逐場(chǎng)曝光。

后續(xù)發(fā)展起來的步進(jìn)掃描光刻機(jī)是在上述基本工作過程的基礎(chǔ)上，將步進(jìn)→曝光改進(jìn)為掃描→曝光，調(diào)焦/調(diào)平→對(duì)準(zhǔn)→曝光在雙臺(tái)機(jī)型上改進(jìn)為測(cè)量（調(diào)焦/調(diào)平→對(duì)準(zhǔn)）與掃描曝光并行。步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)與步進(jìn)掃描光刻機(jī)相比，由于步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)不需要實(shí)現(xiàn)掩模和晶圓片同步反向掃描，在結(jié)構(gòu)上不需要掃描掩模臺(tái)和同步掃描控制系統(tǒng)，因而結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低、工作可靠。但當(dāng)IC工藝進(jìn)入0.25μm后，由于步進(jìn)掃描光刻機(jī)在掃描曝光視場(chǎng)尺寸及曝光均勻性上均具有優(yōu)勢(shì)，使得步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)的應(yīng)用開始慢慢減少。

步進(jìn)掃描光刻的工作原理圖

小結(jié)：步進(jìn)重復(fù)光刻和步進(jìn)掃描光刻的工藝節(jié)點(diǎn)是0.25um;步進(jìn)掃描光刻機(jī)可以通過配置不同的曝光光源，所以步進(jìn)掃描技術(shù)可支撐不同的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，從365nm、248nm、193nm浸沒式，直至EUV光刻；步進(jìn)掃描光刻機(jī)成像系統(tǒng)的靜態(tài)視場(chǎng)更小。在同等成像性能約束下，投影物鏡制造難度降低。因此在0.18μm工藝節(jié)點(diǎn)后，即采用KrF光源后，基本采用步進(jìn)掃描技術(shù)，并一直延續(xù)到現(xiàn)在。目前在7nm以下工藝節(jié)點(diǎn)使用的極紫外（EUV）光刻機(jī)也采用步進(jìn)掃描方式。經(jīng)過一些必要部分的改造，步進(jìn)掃描光刻機(jī)也可以支撐MEMS、功率器件、射頻器件等諸多非硅基底工藝的研發(fā)與生產(chǎn)。

ASML的步進(jìn)掃描光刻機(jī)

三、浸沒式光刻機(jī)

浸沒式光刻機(jī)是采用折射和反射相結(jié)合的光路設(shè)計(jì)且曝光區(qū)域與光刻機(jī)透鏡之間充滿水的光刻設(shè)備。對(duì)于45nm以下及更高的成像分辨率，采用ArF干法曝光方式已經(jīng)無法滿足要求（因其最大支持65nm成像分辨率），故而需要引入浸沒式光刻方法。雖然浸沒式光刻機(jī)是步進(jìn)掃描光刻機(jī)的一種，但其設(shè)備系統(tǒng)方案并無變化，由于引入與浸沒相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，所以屬于ArF步進(jìn)掃描光刻機(jī)的升級(jí)改良版。浸沒式光刻的優(yōu)點(diǎn)：由于系統(tǒng)數(shù)值孔徑的增大，提升了步進(jìn)掃描光刻機(jī)的成像分辨能力，可以滿足45nm以下成像分辨率的工藝要求。缺點(diǎn)：由于浸沒液體的引入，導(dǎo)致設(shè)備本身工程難度大幅度增加，其關(guān)鍵技術(shù)包括浸沒液體供給與回收技術(shù)、浸沒式液場(chǎng)維持技術(shù)、浸沒式光刻污染與缺陷控制技術(shù)、超大數(shù)值孔徑浸液式投影物鏡開發(fā)與維護(hù)、浸液條件下成像質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)等。這里不作詳細(xì)的介紹。

浸沒式光刻原理圖

四、極紫外光刻機(jī)（EUV光刻機(jī)）

小于5納米的芯片晶圓，只能用EUV光刻機(jī)生產(chǎn)。為了提高光刻分辨率，在采用準(zhǔn)分子光源后進(jìn)一步縮短曝光波長(zhǎng)，引入波長(zhǎng)為10～14nm的極紫外光作為曝光光源。目前波長(zhǎng)為13.5nm。EUV光刻機(jī)主要由光源、照明、物鏡、工件臺(tái)、掩模臺(tái)、晶圓片對(duì)準(zhǔn)、調(diào)焦/調(diào)平、掩模傳輸、晶圓片傳輸、真空框架等分系統(tǒng)組成。極紫外光經(jīng)過多層鍍膜的反射鏡組成的照明系統(tǒng)后，照射在反射掩模上，被掩模反射的光進(jìn)入由一系列反射鏡構(gòu)成的光學(xué)全反射成像系統(tǒng)，并最終在真空環(huán)境下將掩模的反射像投影在晶圓片表面。

EUV光刻原理圖

EUV光刻機(jī)

五、電子束光刻系統(tǒng)/納米電子束直寫系統(tǒng)

電子束光刻的主要原理：利用高速的電子打在光刻膠表面，使光刻膠的化學(xué)性質(zhì)改變。在電子束光刻中電子的產(chǎn)生方式有兩種，一種是熱發(fā)射，另一種是場(chǎng)發(fā)射。熱發(fā)射是通過對(duì)陰極材料高溫加熱，使電子獲得足夠的能量從陰極中逸出；場(chǎng)發(fā)射是將陰極置于高強(qiáng)度電場(chǎng)中，利用電場(chǎng)對(duì)電子的強(qiáng)作用力使電子脫離原子核的束縛。直寫式電子束的曝光原理是將聚焦的電子束斑直接打在光刻膠的表面，加工中不需要成本高昂的掩模版和昂貴的投影光學(xué)系統(tǒng)，其加工方式也更為靈活，適合小批量器件的光刻，在實(shí)際中應(yīng)用更為廣泛。電子束光刻按照曝光方式劃分可分為兩種，投影式曝光與直寫式曝光。

這里再提一嘴，光源的波長(zhǎng)是影響光刻精度的主要原因，由于光源波長(zhǎng)的限制，X射線曝光可達(dá)到50nm左右的精度，深紫外光源的曝光精度在100nm左右，而電子的波長(zhǎng)較小，因而電子束光刻的加工精度可以達(dá)到10nm以內(nèi)。電子束光刻以其分辨率高、性能穩(wěn)定，成本相對(duì)較低的特點(diǎn)，因而成為人們最為關(guān)注的下一代光刻技術(shù)之一對(duì)于其光刻膠選擇也是有所不一樣，。目前常用的電子束光刻膠有PMMA，ZEP520A及HSQ等。